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1、一种新型的单光子探测器硅光电倍增器张国青(G.Q.Zhang) 西安工程大学理学院物理系E-mail: zhangg_联系方式： 18220819482关键词：单光子探测， 光子数分辨，硅光电倍增器, 激光测距， 量子通讯近年来，一种具有脉冲光子数分辨能力的单光子探测器硅光电倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）逐渐引起了人们的重视。SiPM 又被称为MPPC （Multi-Pixel Photon Counter）或MAPD（Multi-Pixel Avalanche Photon Detector）, 它由数百至数万个直径为几到几十微米的雪崩光电二极管 (APD
2、)单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成, 每个APD单元串联着数百千欧的电阻用于淬灭雪崩击穿产生的大电流。所有APD单元共用一个取信号电极,并且工作在盖革模式下。 在这种模式下， APD 单元偏置电压高于击穿电压若干伏，当某一个APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将有一定概率触发雪崩击穿，光电转换增益可达10106。由于每一个APD单元有完全相同的结构和淬灭电阻， 因此在发生雪崩时，雪崩放电的增益，即输出信号的幅度均相同。在动态范围的线性区内，总的输出信号幅度正比于单位时间发生雪崩击穿的APD 单元的数目，在示波器上可以看到雪崩脉冲有清晰的倍数关系。由于这种器件可以像光电倍增管一样进行
3、单光子探测，因此被称作硅光电倍增器。相比于传统的光电倍增管(PMT)，SiPM具有较高的探测效率，卓越的单光子响应和分辨能力，结实耐用，体积小、易于集成，工作电压低，不受磁场干扰，可靠性好、成本低廉等诸多优点而在近年来受到很大关注，成为辐射探测器及其相关应用领域中的一个研究热点，在高能物理、天体物理、核医学成像、生命科学、等弱光信号的检测领域有替代传统光电倍增管的潜力，在量子通讯、激光测距等方面也有较好的应用前景。从上世纪80年代末俄罗斯人第一次提出SiPM以来，人们共提出了四种结构的SiPM，最早提出的SiPM是由淀积在硅片表面的SiC薄膜做为雪崩淬灭电阻，但是这种结构的SIPM由于工艺和探
4、测效率的问题，限制了其发展。 近几年，有三种结构的SiPM得到了较快发展，一种是利用表面淀积的多晶硅条来坐SiPM的APD单元的淬灭电阻，这是目前最常见的SIPM的结构。其典型的结构原理图如图一所示。该种结构的SiPM由于必须在表面制作电阻率精确控制的多晶硅条，因此工艺较为复杂，而且使得器件的几何填充因子受限，进而限制了探测器的光探测效率。图一 另一种是利用载流子的负反馈效应来实现APD单元的雪崩淬灭过程，其工作原理图二所示：这种结构的SiPM优势在于省略了在硅片表面制作多晶硅条的工艺，可能使光子探测效率更高. 但是该种SiPM的APD单元的恢复时间较长，而且适合的工作电压范围太窄，工作稳定性
5、不高。 还有一种是体电阻淬灭的SiPM。这种SiPM在国际上首先由北京师范大学核科学与技术学院的韩德俊教授领导的科研小组研制成功。 其结构如图三所示，该种结构的硅光电倍增器利用硅衬底的体电阻自身对APD单元进行淬灭，大大简化了工艺, 同时由于将淬灭电阻做到了衬底内部， 因此大大减小的了寄生电容，也就减小了器件的恢复时间，提高了SIPM的光子计数率。恢复时间可以达到ns量级，单元数密度在104/mm2时，未经过增透膜等优化处理的器件的峰值光探测效率已达到25.6%。图三参考文献：【1】D. Renker, E. Lorenz, “Advances in solid state photon de
6、tectors”, J JINST ,4, ( 2009) 1-54【2】Z.Sadygov ,etal.,Nucl.Instr.andMeth.A(2009),doi:10.1016/j.nima.2009.05.123【3】G. Q. Zhang, X. B. Hu, R. Yang et al., “Demonstration of a silicon photomultiplier with bulk integrated quenching resistors on epitaxial silicon”, J Nucl. Instr. and Meth., A 621, (2010) 116120
